Ново изследване: Вселената може да има 18 различни форми. Защо точно 18?

Нова научна работа показа какви са възможните структури на нашата Вселена.

Преди около 2500 години човечеството е осъзнало, че планетата ни е кръгла, въпреки че някои привърженици на теорията за плоската Земя продължават да отричат това и до днес. Въпреки това формата на нашата Вселена все още остава неопределена. Предишни изследвания показват, че космосът вероятно има проста форма, например триизмерен еквивалент на сферична повърхност или равнина. Но тази гледна точка може да се окаже погрешна, според космолозите от Колаборацията за наблюдения, модели и прогнози на аномалии и космическа топология (COMPACT). В публикувана статия те стигат до заключението, че формата на Вселената може да е много по-сложна, отколкото се смяташе досега.

На пръв поглед Земята също изглежда плоска, защото радиусът ѝ е толкова голям, че кривината на повърхността е почти незабележима. За да докажете, че тя е сфера, е достатъчно да започнете да се движите право напред. Ако прекосявате планини и океани, без да завивате, рано или късно ще се върнете в началната точка.

Космолозите събират подобни доказателства, за да определят формата на Вселената. Вместо да изпращат космически кораб, който да пътува из космоса, те вдигат поглед към нощното небе и изучават следите от най-старата светлина, достигнала до нас от дълбините на космоса. Това излъчване е възникнало около 300 000 години след Големия взрив. Въпреки че фотоните са съществували и преди това, материята е била толкова гъсто натъпкана в малката тогава Вселена, че светлинните кванти не са могли да се разпространяват свободно. Вселената обаче се е охладила до степен, в която е станала прозрачна, и фотоните са могли да се разпространяват свободно в пространството – и продължават да го правят и до днес.

Изучаването на древната светлина на Вселената, т.нар. космически микровълнов фон, дава сведения за формата на космоса. Ако например кривината на Вселената се е променила в някоя точка, космическото фоново лъчение не би било да бъде толкова равномерно, колкото го наблюдаваме. Затова експертите предполагат, че Вселената е или еднакво извита навсякъде, или напълно плоска.

Богатството от възможности

Трудно е да си представим Вселена без кривина или с постоянна кривина. Затова е полезно да се използват двуизмерни примери. В тази аналогия, за да съответства на еднообразните модели на космическото фоново лъчение, Вселената може да бъде плоска като лист хартия (без кривина), да съответства на триизмерния аналог на сферична повърхност (положителна кривина) или да образува триизмерна седловидна повърхност (отрицателна кривина). И в трите случая кривината е постоянна през цялото време.

Това обаче не разкрива как изглежда Вселената като цяло. Така например пространството може да е извито еднакво навсякъде, но въпреки това да има дупки. Математическата дисциплина топология ни позволява да разграничим тези случаи. Тополозите класифицират геометричните фигури в общи категории, като например броя на дупките, за да създадат каталог на формите.

Космолозите се опитват да определят една от тези форми за Вселената. Както са доказали математиците, съществуват безкраен брой различни категории (топологии) на извити триизмерни повърхности. Следователно, ако пространството наистина има форма на седло или сфера, теоретично съществуват много форми, които Вселената може да приеме, всяка от които е много по-различна от другата. Към днешна дата космологичните наблюдения сочат плоска Вселена без никакви кривини. Ако това е вярно, то стеснява търсенето на топологията на Вселената: както показа математикът Григорий Перелман през 2003 г. Той по математически път установи, че каталогът на плоските триизмерни повърхности е много малък и съдържа само 18 различни категории.

Една от 18-те форми

Следователно формата на Вселената вероятно съответства на една от тези 18 форми. Една от тях е триизмерният аналог на лист хартия. Но нашият космос може да има и дупки. Сред 18-те топологии триизмерният еквивалент на повърхността на поничка се нарича тор.

Въпреки че на пръв поглед поничката изглежда извита, се оказва, че тази форма всъщност е плоска. Това е така, защото формата на поничка може да се създаде с помощта на (много гъвкаво) парче хартия. За да направите това, първо залепете противоположните дълги страни на листа една към друга, като създадете продълговата тръба. След това тръбата се огъва и двата края се съединяват. Това изглежда малко нелогично, но от математическа гледна точка всичко е наред.

Вселената с форма на поничка (тор)

Ако нашата Вселена има формата на тор, това би имало осезаеми последици. Така например, ако някой насочи фар към небето, тази светлина теоретично ще се върне обратно към нас в някакъв момент – точно както мравка върху подобен лист хартия винаги се връща в началната си точка. Такива примки съществуват в повечето от 18-те различни топологии. Те са траектории, които се връщат в началната си точка. На пръв поглед обаче примките не съвпадат с нашите наблюдения. Ако светлината пътуваше периодично в пространството, би трябвало да виждаме множество копия на Вселената в нощното небе. Въпреки това този факт не изключва всички топологии с примки. Възможно е да живеем във Вселена, която е толкова голяма, че светлината все още не е имала време да я прекоси и да се върне обратно. Може би след няколко милиарда години хората (или други същества) ще се радват на нощно небе, съдържащо много образи на Вселената.

Но дори такива огромни цикли биха оставили следи днес. Например формата на космоса би повлияла на взаимодействието на материята и светлината в ранната Вселена. Ако във Вселената е имало отвори, а следователно и примки, това би трябвало да се отрази в данните за космическото фоново лъчение.

В проучванията от 2000-те и 2010-те години обаче експертите не откриха нищо. Поради това повечето космолози приеха, че Вселената има сравнително проста структура. Изследванията на формата на Вселената са в застой – поне до стартирането на проекта COMPACT през 2022 г.

Значително повече възможности, отколкото се очакваше

Екипът на COMPACT сравнява най-новите данни за космическото фоново лъчение с различни топологии на Вселената – и в първата си публикация стигна до изненадващи резултати. По-конкретно, изследователите установиха, че в предишната работа са били пренебрегнати много варианти на определени топологии. С други думи, учените може да са пропуснали редица други форми, които биха могли да опишат нашия космос. Те също така са успели да покажат, че липсата на доказателства за примки в космическото фоново лъчение е много по-малко ограничаваща, отколкото се смяташе досега. В допълнение към циклите в космическото фоново лъчение може да има и други следи, които показват сложни топологии. Бъдещата работа ще изследва какви могат да бъдат тези форми.

Изследователите потвърждават аргументите си с помощта на три конкретни примера за топологии на плоското пространство: правилен тор и две негови разновидности, при които лицата на кубоида са усукани, преди да бъдат слепени. И трите имат отвори. За обикновения тор COMPACT потвърди по-ранните открития: ако нашата Вселена е с форма на тор, примките трябва да са толкова големи, че светлината все още да не е имала време да достигне до нас. Но изненадата беше, че същата идея може да не важи за модифицираните форми. Изчисленията на колаборацията показват, че примките на тези форми може да са много по-къси, отколкото се смяташе досега. Заради многото извивки Вселената може да съдържа свои копия, които да изглеждат различно от оригинала, което ги прави по-малко видими на картите на космическия микровълнов фон.

Взети заедно, откритията на екипа на COMPACT показват, че Вселената може да е много по-сложна, отколкото се смяташе досега. Това има далечни последици. Формата на нашия космос не е само академичен въпрос. Топологията на пространство-времето вероятно е била определена от квантови процеси, които са се случили малко след Големия взрив. Ако се знаеше повече за формата на Вселената, можеше да се научи повече за сложните процеси, които са протекли в началото на нейното съществуване.